KR20040084500A

KR20040084500A - 전력 증폭기

Info

Publication number: KR20040084500A
Application number: KR1020030019627A
Authority: KR
Inventors: 김홍득
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-06
Also published as: KR100531373B1

Abstract

본 발명은 전력 증폭기에 관한 것으로, 특히 소모 전력의 효율을 높이고, 선형성을 개선하는 전력 증폭기에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 전력 증폭기는 RF 입력 신호를 증폭하는 제 1 전력 증폭기와, 제 2 전력 증폭기, 상기 제 1 전력 증폭기에 전류 소스가 연결되어 온/오프가 제어되어 전류가 공급되고, 제 2 전력 증폭기에 항상 스위치 온 된 전류가 공급되는 전류 공급부, 상기 제 1 전력 증폭기의 전류 공급을 스위칭하는 스위치, 상기 제 1 전력 증폭기의 베이스와 제 2 전력 증폭기의 에미터에 공통으로 연결되어 입력되는 RF 신호를 임피던스 정합을 통해 상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기로 출력하는 공통 입력 임피던스 정합회로, 상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기의 출력단에 공통으로 연결되어 상기 제 1 전력 증폭기 또는 제 2 전력 증폭기에서 증폭된 RF 신호를 임피던스 정합을 통해 출력하는 공유 출력 임피던스 정합회로를 포함하여 구성된다.

Description

전력 증폭기{Power amplifier}

본 발명은 스마트 전력 증폭기에 관한 것으로, 특히 소모 전력과 선형성을 높이기 위한 전력 증폭기에 관한 것이다.

최근 세계 각지에서 무선 전화, 무선 LAN 등의 무선 통신 서비스가 급증하고 있다.

일례로 유럽의 GSM 900(Global System for Mobile communication, 890-915 MHz), 북 아메리카의 AMPS 800(Advanced Mobile Phone Service, 824-849 MHz), PCS 1900(Personal Communication system, 미국 1850-1910 MHz, 한국 1750-1780 MHz) 무선 휴대폰 서비스가 제공되고 있다.

특히 휴대폰에서 무선 인터넷을 통해 전력 소비량이 높은 컬러 동영상 콘텐트의 사용이 늘어나면서 휴대폰 업체들의 저전력 부품 요구가 커지고 있다. 이때, 무선 휴대폰에서 전력 소비가 가장 많은 소자는 RF 송신부의 전력 증폭기이다.

현재 휴대폰에서 상기 전력 증폭기의 전력 효율을 높이기 위한 방법은 출력 전력에 따라 전력 증폭기의 고출력 모드, 저출력 모드로 각각 동작하여 저출력 모드에서 소비 전류를 감소시키고 있다.

또한, 최근 휴대폰에서 RF 소자 개수를 줄이고, 핸드폰의 개발 시간을 단축하기 위해 제로(Zero) IF 또는 직접 변환(Direct Conversion) 회로가 핸드폰 통신 시스템에 채택되고 있다. 그 한 예로 휴대폰에서 퀄 컴(Qualcomm)사의 MSM6xxx Mobile Station Modem(MSM) 칩셋의 패밀리(family)를 사용하고 있다.

이러한 제로 IF 통신시스템을 갖춘 핸드폰은 전력 증폭기의 소비 전력 효율을 높이기 위해 고출력 모드(High Power Mode)나 저출력(Low Power Mode) 모드로 동작할 경우, 두 출력 모드간의 전력 이득이 10 dB 정도인 전력증폭기를 요구함으로써 제로 IF 통신 시스템의 신호대 잡음 성능을 높이고 있다.

현재 시판되고 있는 전력 증폭기는 모드 간 전력 이득이 2-3 dB 정도이며, 전력 이득을 크게 하기 위한 회로가 구체적으로 발표되지 않고 있다. 따라서, 앞으로 제로 IF 통신시스템이 휴대폰에 광범위하게 사용될 것을 대비하여 전력 증폭기에서 두 출력 모드간에 전력 이득의 차이를 크게 하는 회로가 요구되어진다.

종래 기술의 한 예는 도 1에 나타나 있는데, 현재 휴대폰에 사용되고 있는 가장 일반적인 전력 증폭기 구조이다.

도 1의 전력 증폭기는 RF 입력 신호를 증폭하는 HBT(Heterojunction Bipolar Transistors) 어레이(1)와, 상기 HBT 어레이(1)의 소모 전류를 결정하는 전류 소스(2)와, 스위칭을 통해 상기 전류 소스(2)의 출력 전류를 조절하는 모드 스위치(3)와, 상기 전력증폭기(1)의 입력 임피던스 정합회로(4), 출력 임피던스 정합회로(5)로 구성된다.

여기서 상기 전력 증폭기(1)는 주로 HBT 어레이를 사용하고 있으며, BJT, FET 등의 트랜지스터 어레이로 구성된다.

일반적으로 전력 증폭기는 dc 소모 전력에 비해 RF 출력 전력이 작을 경우, 전력 효율이 매우 낮다. 이를 개선하기 위해 도 1의 전력 증폭기 출력 전력의 강도에 따라 고출력 모드(High Power Mode)와 저출력 모드(Low Power Mode)로 동작하며, 상기 저출력 모드로 동작할 때는 고출력 모드에 비해 소모 전류가 줄어든다. 이때 고출력 모드와 저출력 모드에서 HBT 어레이(array)(1)에 소비되는 전류량은 상기 모드 스위치(3)와 전류 소스(2)에 의해 결정된다. 즉, 상기 모드 스위치(3)가 ON/OFF 될 때 전류 소스(2)의 출력 전류(Ib1, Ib2)가 조절되고, 상기 전류 소스(2)의 출력 전류(Ib1, Ib2)가 HBT 어레이(1)에서 소비되는 전류(Ic1, Ic2)를 결정한다.

위에 언급한 형태로 저출력 모드에서 HBT 어레이(1)에 소비되는 전류를 줄여 개선된 최고 효율은 현재 10% 정도이다. 이는 고출력 최고 효율이 40%인 것에 비하여 여전히 낮다. 이러한 이유는 도 1의 HBT 전력 증폭기에서 출력 임피던스가 두 출력 모드에서 동일하게 유지되기 때문이다. 즉 HBT 어레이(1)에서 요구되는 최대 출력에 따라 최대 효율을 발생시키는 출력 임피던스가 바뀐다. 도 1과 같은 휴대폰 전력 증폭기의 경우, 28 dBm 출력의 고출력 모드에서는 최대 효율 출력 임피던스가 대략 3-5 Ohm 이다. 이에 비해, 16 dBm 출력의 저출력 모드에서는 최대 효율을 발생시키는 부하 임피던스는 10-30 Ohm 정도로 높아진다. 따라서 두 모든간에 출력 임피던스 회로를 똑같이 공유할 경우, 우선적으로 휴대폰의 최대 출력 사양을 맞추어야 하기 때문에 부하 임피던스가 고출력 모드에 맞도록 설계되고, 이로 인해 저출력 모드에서의 효율은 10% 이상 되기가 어려운 실정이다.

또한, RF 소자의 간소화를 위해 앞으로 제로 IF 또는 다이렉트 컨버젼 회로가 핸드폰 통신 시스템에 적극 응용될 추세이다. 이러한 시스템에서는 신호대 잡음성능을 높이기 위해 두 출력 모드 간의 전력 이득차가 큰(약 10 dB) 전력 증폭기가 요구되고 있다. 위에서 언급한 도 1의 전력 증폭기는 현재 전력 증폭기의 모드간 전력 이득차가 약 2-3 dB정도이다. 이것은, 전력 증폭기에서 동작 모드가 바뀔 때 HBT 어레이(1)의 동작 바이어스만 약간 달라지고, 그 외 입출력 임피던스 정합회로(4, 5)는 똑같기 때문이다. 다시 말해 고출력에 비해 저출력 모드에서는 HBT 어레이(1)에 흐르는 전류가 감소하여 HBT 어레이(1)의 전류 이득이 약간 낮아지고, 이로 인해 전력 증폭기의 전력 이득이 약 2-3dB 감소한 것이다. HBT 어레이(1)의 소모 전류를 점점 더 줄이면 HBT 어레이(1)의 전류 이득이 점점 더 줄어들지만, 대신 큰 신호 동작에서 비선형 성분을 많이 발생시키므로 전력 증폭기의 선형성을 악화시키는 문제를 가져온다. 단지 소모 전류만 바꾸어 두 모드에서 높은 선형성을 유지하면서, 두 모드간에 10 dB정도의 전력 이득차를 구현하기란 매우 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 고출력 모드와 저출력 모드를 사용할 때, 두 모드에서 소비 전력 효율을 각각 최적화하는 스마트 전력 증폭기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 스마트 전력 증폭기에서 고출력 모드와 저출력 모드를 사용할 때, 두 모드에서 소비 전력 효율을 각가 최적화하는 출력 임피던스 정합을 구현하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고출력 모드시 저출력 증폭기와 고출력 증폭기를 통해 나오는 출력 신호의 위상을 일치시켜 두 증폭기의 출력 전력이 출력 부하로잘 합쳐지도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고출력 모드시 동시에 동작하는 베이스 공통 저출력 증폭기와 에미터 공통 고출력 증폭기의 병렬 연결을 통해 RF 대신호에 의해 발생되는 전력 증폭 소자의 베이스-에미터 캐패시터 변화를 두 증폭기의 연결점에서 상쇄시켜 전력 증폭기의 선형성을 개선하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 스마트 전력 증폭기에서 고출력 모드와 저출력 모드간의 전력 이득차를 조절하는데 있다.

도 1은 종래의 전력 증폭기의 일 예를 나타낸 도면

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전력 증폭기를 보인 도면

도 3은 도 2에 따른 전력 증폭기의 고출력 모드시 동작을 나타낸 도면

도 4는 도 3에 따른 고출력 모드 동작 시 RF 대신호에 의해 HBT 베이스-에미터 캐패시터 변화를 설명하기 위한 도면

도 5는 도 2에 따른 전력 증폭기의 저출력 모드시 동작을 나타낸 도면

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전력 증폭기를 보인 도면

도 7은 제 1 실시예에 따른 일 예

도 8은 제 2 실시예에 따른 일 예

도 9는 제 2 실시예에 따른 또 다른 일 예

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

11 : 제 1 전력 증폭기 12 : 제 2 전력 증폭기

15, 16 : 전류 소스 17 : 스위치

21 : 공통 입력 임피던스 정합회로 22 : 제 2 출력 임피던스 정합회로

23 : 제 1 출력 임피던스 정합 회로 24 : 공통 출력 임피던스 정합회로

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, RF 입력 신호를 증폭하는 HBT로 구현된 제 1 전력 증폭기와, 제 2 전력 증폭기, 상기 제 1 전력 증폭기에 전류 소스가 연결되어 온/오프가 제어되어 전류가 공급되고, 제 2 전력 증폭기에 항상 스위치 온 된 전류가 공급되는 전류 공급부, 상기 제 1 전력 증폭기의 전류 공급을 스위칭하는 스위치, 상기 제 1 전력 증폭기의 베이스와 제 2 전력 증폭기의 에미터에 공통으로 연결되어 입력되는 RF 신호를 임피던스 정합을 통해 상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기로 출력하는 공통 입력 임피던스 정합회로, 상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기의 출력단에 공통으로 연결되어 상기 제 1 전력 증폭기 또는 제 2 전력 증폭기에서 증폭된 RF 신호를 임피던스 정합을 통해 출력하는 공유 출력 임피던스 정합회로를 포함하여 구성된다.

바람직하게 상기 제 1 전력 증폭기는 공통 에미터 증폭기로 동작하고, 제 2 전력 증폭기는 공통 베이스 증폭기로 동작된다.

상기 제 1 전력 증폭기는 공통 소스 증폭기로 동작하고, 제 2 전력 증폭기는 공통 게이트 증폭기로 동작된다.

상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기의 베이스-에미터 캐패시터의 가변량은 서로 반대이다.

상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기의 게이트-소스 캐패시터의 가변량은 서로 반대이다.

상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기를 통해 증폭되어 상기 공통 출력 임피던스 정합회로에서 같은 크기, 위상의 전압 신호로 합쳐지도록 공통 출력 임피던스 정합회로와 제 2 전력 증폭기 사이에 제 1 위상 변위를 갖는 제 1 출력 임피던스 정합회로와, 공통 출력 임피던스 정합회로와 제 1 전력 증폭기 사이에 제 2 위상 변위를 갖는 제 2 출력 임피던스 정합회로가 포함된다.

상기 제 1 전력 증폭기는 고출력 모드의 전력 증폭기이며, 제 2 전력 증폭기는 저출력 모드의 전력 증폭기이다.

상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기는 중간 주파수대역에서 180도의 입출력 위상차이를 가진다.

제 1 전력 증폭단과 제 2 전력 증폭단 패스에 의한 위상차이는 2*N*π(N은 정수)가 되도록 한다.

상기 전력 증폭기의 고출력 모드시 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기가 동시에 동작하며 제 1 전력 증폭 소자는 제 2 출력 임피던스 정합회로와 공통 출력 임피던스 정합 회로를 통해 고출력 모드 출력 임피던스를 갖는다.

상기 전력 증폭기의 저출력 모드시 제 2 전력 증폭기만 동작하고 제 2 전력 증폭기의 제 1 출력 임피던스 정합 회로와 출력 임피던스 정합회로를 통해 저출력 모드 출력 임피던스를 갖는다.

상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기 입력부에 각각 임피던스 정합회로를 더 추가된다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이하 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 그것에 의해서 설명되는 본 발명과 작용은 적어도 하나의 실시에로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예로서 전력 증폭기 구조를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면 본 발명에 따른 전력 증폭기의 기본 구조는 RF 입력 신호를 증폭하는 두 개의 전력 증폭소자인 고출력 증폭소자(11), 저출력 전력 증폭소자(12)와 공통 입력 임피던스 정합회로(21), 공통 출력 임피던스 정합회로(24)와 위상차를 고려한 출력 임피던스 정합회로(22, 23 )와 항상 스위치가 온(ON)된 전류 소스(16)와 스위치(17) 온/오프(ON/OFF) 가능한 전류소스(15)로 이루어진다. 여기서, 두 개의 전력 증폭소자(11, 12)는 현재 휴대폰에서 주로 사용하고 있는 HBT 소자고 가정하고, 이 소자는 FET로도 대치 가능하다. 본 전력증폭기는 고출력 모드 시에는 스위치(17))가 온(ON) 되어 두 개의 고출력, 저출력 증폭소자(11, 12)가 증폭 동작을 하고, 저출력 모드 시에는 스위치(17)가 오프되어 저출력 증폭 소자(12) 만 동작한다.

일반적으로 RF 대신호에 의한 HBT 베이스-에미터 캐패시터의 가변성은 전력 증폭기의 선형성을 악화시키는데, 본 발명의 전력 증폭기에서는 HBT 소자 고유의 베이스-에미터 캐패시터의 가변을 회로적인 연결을 통해 줄여 전력증폭기의 선형성을 개선하였다.

본 전력증폭기에서 고출력 HBT 증폭소자(11)는 공통 에미터 증폭기로 동작하고, 저출력 HBT 증폭 소자(12)는 공통 베이스 증폭기로 동작한다.

본 전력증폭기에서 증폭소자가 FET로 대치될 때, 고출력 FET 증폭소자(11)는 공통 소스 증폭기로 동작하고, 저출력 FET 증폭 소자(12)는 공통 게이트 증폭기로 동작한다

이와 같은 경우 같은 RF 대신호에 의해 변하는 두 HBT 증폭소자(11, 12)의 베이스-에미터 캐패시터의 가변량은 서로 반대이다.

이때, 이 두 HBT 증폭 소자(11, 12)의 입력을 병렬로 묶어 동시에 동작시키면 RF 대신호에 의해 변화는 두 증폭 소자(11, 12)의 베이스-에미터 캐패시터의 가변량은 두 증폭 소자(101, 102)의 입력 연결부 A점에서 서로 상쇄되어 입력 연결부 A점에서 바라본 전력 증폭기 전체의 HBT 베이스-에미터 캐패시터의 가변량은 줄어들게 된다. 따라서 전력 증폭기의 선형성이 개선된다.

본 전력증폭기는 고출력 모드 시에 공통 입력 임피던스 정합회로(21)을 통해 입력된 신호가 두 개의 전력 증폭 소자(11, 12)를 통해 증폭되어 공통 출력 임피던스 정합회로(24)에서 같은 크기, 위상의 전압 신호로 합쳐지도록 공통 출력 임피던스 정합회로(24)와 저출력 증폭소자(12) 사이에 위상 변위 φ1을 갖는 출력 임피던스 정합회로(23)와, 상기 공통 출력 임피던스 정합회로(24)와 고출력 증폭소자(11) 사이에 위상변위 φ2을 갖는 출력 임피던스 정합회로(22)를 갖는다.

여기서 같은 입력신호에 대해 공통 에미터 형태의 고출력 증폭소자(11)와 공통 베이스 형태의 저출력 증폭소자(12)는 일반적으로 중간 주파수대역에서 180도의 입출력 위상차이를 가지며, 출력 임피던스 정합회로(22, 123)에 의한 위상 변위 φ1, φ2는 이러한 위상차를 보상하기 위한 값이다.

도시된 A와 B점 사이의 두 증폭단 path에 의한 위상차이는 2*N*π(N은 정수)가 되도록 한다.

본 전력증폭기는 고출력 모드시 고출력 증폭 소자(11)와 저출력 증폭소자(12)가 동시에 동작하며, 고출력 증폭 소자(11)는 출력 임피던스 정합 회로(22, 24)를 통해 고출력 모드 출력 임피던스(Z_HPM)을 갖고, 저출력 증폭 소자(12)는 출력 임피던스 정합 회로(23, 24)를 통해 저출력 모드 출력 임피던스(Z_LPM)를 갖는다.

상기 저출력 모드시 저출력 증폭 소자(12)만 동작하고 저출력 증폭 소자(12)의 출력 임피던스 정합회로(23, 24)를 통해 저출력 모드 출력 임피던스(Z_LPM)를 갖는다. 두 모드 출력 임피던스 Z_HPM, Z_LPM는 각 모드의 전력 효율과 선형성을 고려하여 선택된다.

도 3은 도 2의 전력 증폭기의 고출력 모드시 동작도로, 스위치(17)이 온(ON) 되어 두 전력 HBT 증폭 소자(11, 12)가 동시에 동작하며 고출력 HBT 증폭소자(11)는 공통 에미터 증폭기로 동작하고, 저출력 HBT 증폭 소자(12)는 공통 베이스 증폭기로 동작한다. 입력부 A점에서 입력된 신호는 두 증폭소자(11, 12)에서 증폭되어 각각 출력임피던스 정합회로(22, 23)를 통해 B점에서 결합된다.

도 4는 도 3에 따른 고출력 모드 동작 시 RF 대신호에 의해 HBT 베이스-에미터 캐패시터 변화를 설명하기 위한 도면으로 본 발명의 따른 전력 증폭기의 고출력 모드 동작 시, 입력부가 함께 결합된 공통 에미터 형태의 HBT 증폭소자(11)와 공통 베이스 형태의 저출력 HBT 증폭 소자(12)의 베이스-에미터 캐패시터 변화에 대한 설명도이다. 양 전압의 대신호가 공통 입력점 A에 입력되면 공통 에미터 형태의 고출력 HBT 증폭 소자(11)의 베이스-에미터 캐패시터에는 양 전압이 걸리고, 공통 베이스 형태의 저출력 HBT 증폭 소자(12)의 베이스-에미터 캐패시터에는 음 전압이 걸리게 된다. 이로 인해 두 소자(11, 12)의 베이스 에미터 캐패시터 변화는 서로 반대 부호이고, 공통 입력점 A에서 바라본 병렬된 형태 두 베이스 에미터 캐패시터의 변화는 서로 상쇄하게 되어 입력 신호에 의한 전력 증폭기 전체의 베이스 에미터 캐패시터의 변화가 줄어들어 전력 증폭기의 선형성이 개선된다.

제 5도는 도 2에 따른 본 발명의 전력 증폭기의 저출력 모드 동작도로, 스위치(17)가 오프(OFF)되어 저출력 증폭 소자(12)만 동작한다. 이때, 저출력 모드의 효율 및 선형성을 최적으로 하는 출력 임피던스 Z_LPN는 주로 출력 임피던스정합회로(23, 24)를 통해 구현된다.

도 6은 본 발명에 따른 전력 증폭기의 제 2 실시예로 병렬 연결된 두 증폭기의 위상변위와 임피던스 정합의 자유도를 높이기 위해 앞에서 전술한 제 2도에서 공통 에미터 형태의 고출력 증폭소자(11)와 공통 베이스 형태의 저출력 증폭소자(12) 입력부에 임피던스 정합회로(25,26)를 추가한 형태다. 두 개의 전력 증폭 소자(11, 12)를 통해 증폭된 전압신호가 같은 크기, 위상으로 공통 출력 임피던스 정합회로(24)에서 공통 입력부 A점과 공통 출력부 B점 사이의 두 증폭단 패스에 의한 위상차이는 2*N*π(N은 정수)가 되도록 입력 임피던스 정합회로(25, 26)의 위상 변위 φ4, φ3와 출력임피던스 정합회로(22, 23)의 위상 변위 φ2, φ1를 정한다. 그 외 동작 원리는 앞서 도 2 내지 도 5를 통해 설명한 것과 동일하다.

제 7도는 제 2도에 따른 제 1 실시예이다.

공통 입력 임피던스 정합회로(21)는 저출력 증폭소자(12)의 바이어스 전류 패스를 고려하여 병렬 L과 병렬 C로 구현하였다. 공통 출력 임피던스 정합회로(24)는 일반적으로 사용되고 있는 로우 패스 타입으로 구현되었고, 두 전력 증폭기의 콜렉터 전류 패스를 포함하는 구조이다.

공통 베이스 형태의 저출력 증폭소자(12)와 공통 에미터 형태의 고출력 증폭소자(11) 간에 입출력 위상차는 Φ는 거의 (+)180도이다.

두 증폭단 출력 신호의 이러한 위상차를 상쇄시켜 공통 출력부 B에서 두 신호를 합하기 위해 저출력 증폭 소자(12)와 공통 출력 입피단스 정합회로(24) 사이에 위상 변위Φ가 음(-)인 로우 패스 타입(low pass type) 구조의 출력 임피던스정합회로(23)를 구현하였다.

이때, 이 출력 임피던스 정합회로(23)는 저출력 모드시 공통 출력 임피던스 정합 회로(24)를 통해 구현된 고출력 모드 최적 출력 임피던스 Z_HPM를 저출력 모드 최적 출력 임피던스 Z_LPM으로 변환시키는 기능도 포함한다. 그 외 동작 원리는 앞서 도 2 내지 도5에서 설명한 바와 같다.

도 8은 도 6에 따른 제 1 실시예로, 공통 입력 임피던스 정합회로(21)는 저출력 증폭소자(12)의 바이어스 전류 패스를 고려하여 병렬 L과 병렬 C로 구현하였다.

공통 출력 임피던스 정합회로(24)는 일반적으로 사용되고 있는 로우 패스 타입으로 구현되었고, 두 전력 증폭기의 콜렉터 전류 패스를 포함하는 구조이다. 공통 베이트 형태의 저출력 증폭소자(12)와 공통 에미터 형태의 고출력 증폭 소자(11)간에 입출력 위상차 Φ는 거의 (+)180도이다. 두 증폭단 출력 신호의 이러한 위상차를 상쇄시켜 공통 출력부 B에서 두 신호를 합하기 위해 저출력 증폭 소자(12)의 입출력에 음(-)의 위상변위를 가지는 로우 패스 타입의 입력 임피던스 정합회로(25)와 출력 임피던스 정합회로(24)를 추가하였다. 이 두 임피던스를 통한 전체 위상변위 절대값은 공통 베이스 형태의 저출력 증폭소자(12)오 공통 메이터 형태의 고출력 증폭소자(11)간에 입출력 위상차 Φ와 같도록 한다.

이때, 부호는 반대이며, 출력 임피던스 정합회로(23)는 저출력 모드 시 공통 출력 임피던스 정합회로(24)를 통해 구현된 고출력 모드 최적 출력 임피던스 Z_HPM를저출력 모드 최적 출력 임피던스 Z_LPM으로 변환시키는 기능도 포함한다. 그 외 동작원리는 앞서 도 2 내지 도5를 통해 설명한 바와 같다.

도 9는 도 6에 따른 제 2 실시예로 공통 입력 임피던스 정합회로(12)는 병렬 L과 병렬 C로 구현하였다.

공통 출력 임피던스 정합회로(24)는 일반적으로 사용되고 있는 로우 패스 타입으로 구현되었고, 두 전력 증폭기의 콜렉터 전류 패스를 포함하는 구조이다. 공통 베이트 형태의 저출력 증폭소자(12)와 공통 에미터 형태의 고출력 증폭 소자(11)간에 입출력 위상차는 거의 (+)180도이다. 두 증폭단 출력 신호의 이러한 위상차를 상쇄시켜 공통 출력부 B에서 두 신호를 합하기 위해 저출력 증폭 소자(12)의 입출력에 음(-)의 위상변위를 가지는 로우 패스 타입의 입력 임피던스 정합회로(25)와 출력 임피던스 정합회로(24)를 추가하였다. 이 두 임피던스를 통한 전체 위상변위 절대값은 공통 베이스 형태의 저출력 증폭소자(12)오 공통 에미터 형태의 고출력 증폭소자(11)간에 입출력 위상차와 같고 부호는 반대가 되도록 한다.

이 때, 이 출력 임피던스 정합회로(23)는 저출력 모드시 공통 출력 임피던스 정합회로(24)를 통해 구현된 고출력 모드 최적 출력 임피던스 Z_HPM를 저출력 모드 최적 출력 임피던스 Z_LPM으로 변환시키는 기능도 포함한다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 따른 전력 증폭기는 다음과 같은 효과가있다.

첫째, 고출력 저출력 모드로 동작할 때, 각각의 모드에서 출력 및 효율을 최적으로 하는 각각의 출력 임피던스 정합부를 가지는 효과가 있다.

둘째, 고출력, 저출력 모드로 동작할 때 각각의 모드에서 달리 형성되는 임피던스 정합에 의해 최대 출력 전력과 전력 이득을 조절하는 효과를 가진다.

셋째, 전술한 고출력 모드로 동작할 때 저출력 증폭기와 고출력 증폭기를 통해 출력된 두 신호가 공유 출력 임피던스 정합부에서 합쳐질 때 동위상, 같은 크기의 전압이 유지되므로 두 증폭기 간에 신호 전송이 차단되고 출력 부하로만 전력이 출력되어 최대 출력 전력 향상 및 선형성 확보, 전력 효율 증가 등의 이득 효과를 가진다.

넷째, 전술한 고출력 HBT 증폭소자는 공통 에미터 증폭기로 동작하고, 저출력 HBT 증폭 소자는 공통 베이스 증폭기로 동작하므로 똑같은 RF 대신호에 의해 변하는 두 HBT 증폭소자의 베이스-에미터 캐패시터의 가변량은 서로 반대이다. 이때 이 두 HBT 증폭 소자의 입력을 병렬로 묶어 동시에 동작시키면 RF 대신호에 의해 변하는 증폭소자의 베이스-에미터 캐패시터의 가변량은 두 증폭소자의 입력 연결에서 서로 상쇄되어 입력 연결부에서 바라본 전력 증폭기 전체의 HBT 베이스-에미터 캐패시터의 가변량은 줄어들게 되므로 전력 증폭기의 선형성이 개선되는 효과를 가진다.

따라서, 본 발명의 전력 증폭기는 바테리를 사용하는 무선 휴대폰, 무선 PDA, 노트북 PC의 무선 랜 카드 등에 효과적으로 사용될 수 있다. 그리고, 이에 한정하지 않고 모든 유무선 통신 시스템에 효과적으로 사용될 수 있다. 특히 저출력 모드와 고출력 모드에서 각각 소비 전력 효율을 높이고자 하는 통신시스템에 매우 효과적으로 사용될 수 있다. 또 각 모드간에 전력 이득 차를 조절할 경우에 매우 유용하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims

RF 입력 신호를 증폭하는 HBT로 구현된 제 1 전력 증폭기와, 제 2 전력 증폭기;

상기 제 1 전력 증폭기에 전류 소스가 연결되어 온/오프가 제어되어 전류가 공급되고, 제 2 전력 증폭기에 항상 스위치 온 된 전류가 공급되는 전류 공급부;

상기 제 1 전력 증폭기의 전류 공급을 스위칭하는 스위치;

상기 제 1 전력 증폭기의 베이스와 제 2 전력 증폭기의 에미터에 공통으로 연결되어 입력되는 RF 신호를 임피던스 정합을 통해 상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기로 출력하는 공통 입력 임피던스 정합회로;

상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기의 출력단에 공통으로 연결되어 상기 제 1 전력 증폭기 또는 제 2 전력 증폭기에서 증폭된 RF 신호를 임피던스 정합을 통해 출력하는 공유 출력 임피던스 정합회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 전력 증폭기는 공통 에미터 증폭기로 동작하고, 제 2 전력 증폭기는 공통 베이스 증폭기로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
제 1항에 있어서,

상기 제 1 전력 증폭기는 공통 소스 증폭기로 동작하고, 제 2 전력 증폭기는 공통 게이트 증폭기로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기의 베이스-에미터 캐패시터의 가변량은 서로 반대인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기
제 3 항에 있어서,

상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기의 게이트-소스 캐패시터의 가변량은 서로 반대인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기를 통해 증폭되어 상기 공통 출력 임피던스 정합회로에서 같은 크기, 위상의 전압 신호로 합쳐지도록 공통 출력 임피던스 정합회로와 제 2 전력 증폭기 사이에 제 1 위상 변위를 갖는 제 1 출력 임피던스 정합회로와, 공통 출력 임피던스 정합회로와 제 1 전력 증폭기 사이에 제 2 위상 변위를 갖는 제 2 출력 임피던스 정합회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기
제 6 항에 있어서,

상기 제 1 전력 증폭기는 고출력 모드의 전력 증폭기이며, 제 2 전력 증폭기는 저출력 모드의 전력 증폭기인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
제 7 항에 있어서,

상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기는 중간 주파수대역에서 180도의 입출력 위상차이를 가지는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기
제 8 항에 있어서,

제 1 전력 증폭단과 제 2 전력 증폭단 패스에 의한 위상차이는 2*N*π(N은 정수)가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
제 7 항에 있어서,

상기 전력 증폭기의 고출력 모드시 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기가 동시에 동작하며 제 1 전력 증폭 소자는 제 2 출력 임피던스 정합회로와 공통 출력 임피던스 정합 회로를 통해 고출력 모드 출력 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
제 7항에 있어서,

상기 전력 증폭기의 저출력 모드시 제 2 전력 증폭기만 동작하고 제 2 전력 증폭기의 제 1 출력 임피던스 정합 회로와 출력 임피던스 정합회로를 통해 저출력모드 출력 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기 입력부에 각각 임피던스 정합회로를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.